人体上呼吸道内流场研究

摘要

睡眠呼吸障碍性疾病是一类发病率很高的疾病，近年来越来越受到人们的关注，它与人体上呼吸道结构性狭窄密切相关，其中阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea/hypopnea syndrome，0SAHS)对人体造成的危害最大，因而对呼吸道的狭窄部位着重进行研究是很有必要的。
　　本文根据提供的医学CT图片，采用三维重建的方法，对其建立真实人体上呼吸道三维模型，并根据论文的需要，在三维模型上进行结构变形处理。用计算流体动力学(CFD)，采用标准k-ω湍流模型，稳态呼吸和非稳态呼吸两种呼吸模式对正常人上呼吸道、不同部位结构形变的上呼吸道以及OSAHS患者术前术后的上呼吸道内的流场进行了研究。
　　对正常人的各个部位最狭窄的截面，进行了有针对性的研究，并得出相关结论。在OSAHS患者最易发病的部位处，选取截面，在模型上对该截面做变形处理，分别缩小到原来的75％，50％和25％，发现在腭咽区的截面变形75％和50％时，对整个流场的影响不大，但当截面缩小到原来的25％，呼吸道流场、压力场发生很大的变化，影响显著;而在舌后区的截面变形中，只有75％的截面变形和不变形模型内的速度场、压强场相差不大，50％和25％的变形都会对整个上呼吸道的流场有着明显的影响，尤其是25％的变形影响更为显著。根据结果，并大胆推断，口咽部的小区域气道狭窄变形，只会对口咽部的压强降值大小造成影响，而其他部位压强降值大小变化不大。
　　最后对OSAHS患者术前术后的模拟采用非稳态呼吸边界条件，通过模拟计算对比分析，发现手术治疗后上呼吸道内流场有了明显的改善，最大速度值和最小负压值均比术前变低，上呼吸道的总压强降也都有下降，大大减轻了症状，并针对手术治疗给出了一些建议。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 实验研究

1．2．2 数值模拟研究

1．2．3 OSAHS的诊断与治疗

1．3 本文研究内容及意义

2 人体上呼吸道三维模型的构建及数值模拟方法

2．1 上呼吸道解剖结构

2．2 控制方程

2．3 几种湍流模型及计算公式

2．3．1 直接数值模型(DNS)

2．3．2 大涡模拟(LES)

2．3．3 应用Reynolds时均方程的模拟方法

2．4 真实人体上呼吸道三维模型的建立

2．4．1 研究对象

2．4．2 采用的方法

2．4．3 三维模型及网格

2．5 数值模型的选择

2．5．1 吸气时上呼吸道压强、气流速度分布图

2．5．2 呼气时上呼吸道压强、气流速度分布图

2．6 边界条件的设置

3 正常人上呼吸道内流场数值模拟

3．1 吸气情况下的上呼吸道气流流场分析

3．1．1 上呼吸道压强场、气流速度场的分析

3．1．2 不同部位最狭窄处的压强场、气流速度场分析

3．2 呼气情况下的上呼吸道气流流场分析

3．2．1 上呼吸道压强场、气流速度场的分析

3．2．2 不同部位最狭窄处的压强场、气流速度场分析

3．3 本章小结

4 上呼吸道不同部位结构形变内流场数值模拟

4．1 腭咽区结构缩变状况下的内流场数值模拟

4．1．1 吸气条件下的内流场数值模拟

4．1．2 呼气条件下的内流场数值模拟

4．2 舌后区结构缩变状况下的内流场数值模拟

4．2．1 吸气条件下的内流场数值模拟

4．2．2 呼气条件下的内流场数值模拟

4．3 本章小结

5 OSAHS患者手术前后上呼吸道气流流场的数值模拟

5．1 手术患者资料概况

5．2 吸气峰值时患者术前术后上呼吸道流场分析

5．2．1 术前术后上呼吸道压强场、气流速度场的分析

5．2．2 术前术后不同部位的压强降变化分析

5．3 呼气峰值时患者术前术后上呼吸道流场分析

5．3．1 术前术后上呼吸道压强场、气流速度场的分析

5．3．2 术前术后不同部位的压强降变化分析

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果